Лекции по дисциплине Металловедение. Атомнокристаллическая структура металлов

• Название: Атомнокристаллическая структура металлов
• Анкор: Лекции по дисциплине Металловедение.doc
• Дата: 12.07.2018
• Размер: 453.5 Kb.
• Имя файла: Лекции по дисциплине Металловедение.doc
• Тип: Документы; #21382
• страница: 9 из 9

Сталь Р18 - наиболее распространенная, универсальная марка быстрорежущей стали. Аналогична по назначению и близка по режущим свойствам сталь Р9. Сталь Р9 труднее, подвергается термической обработке, так как требует более точного соблюдения режима закалки, и плохо шлифуется, сталь Р18 дороже и обладает хорошими механическими свойствами.

Температура закалки должна быть возможно выше, однако не выше температуры начала интенсивного роста зерна или оплавления. Для стали Р18 оптимальная температура закалки 1260-1280°С, для стали Р9 -1220-1240°С.

Из-за малой теплопроводности стали нельзя помещать инструмент сразу в печь для окончательного нагрева во избежание появления трещин. Рекомендуется применять специальный подогрев. Наиболее распространен двойной подогрев: первый при 500-600°С, второй при 830-860°С.

Выдержка при температуре закалки, способствуя переводу карбидов в раствор, действует аналогично повышению температуры закалки.

Охлаждение при закалке быстрорежущей стали следует проводить в масле. В результате медленного охлаждения с высоких температур (например, на воздухе) могут выделиться карбиды, что ухудшит режущие свойства.

Весьма хорошие результаты (в смысле уменьшения закалочной деформации) дает ступенчатое охлаждение. Отпуск стали можно проводить по двум различным режимам.

Первый режим состоит в том, что инструмент подвергают трехкратному отпуску при 560°С с выдержкой при температуре отпуска каждый раз 1 час. После первого отпуска остается около 15% остаточного аустенита, после второго 3-5% и после третьего 1-2%. Твердость после такой обработки поднимается до НRС 64-65. Образование мартенсита при отпуске происходит, как указывалось выше, при охлаждении от 150 до 20°С.

Другой режим состоит в том, что после закалки инструмент обрабатывается холодом при -80°С. При охлаждении от комнатной температуры до -80°С образуется дополнительно около 15-20% мартенсита (от общего объема стали) и после обработки холодом сохраняется 10-15% остаточного аустенита. Этот аустенит превращается в мартенсит после однократного отпуска при 560°С.
Штамповые стали
Для обработки металлов давлением применяют инструменты штампы, пуансоны, ролики, валики и т. д., деформирующие металл. Стали, применяемые для изготовления инструмента такого рода, называют штамповыми сталями (по виду наиболее распространенного инструмента).

Штамповые стали делятся на две группы: деформирующие металл в холодном состоянии и деформирующие металл в горячем состоянии. Условия работы стали при различных видах штамповки сильно различаются между собой.

Для штамповки в холодном состоянии сталь, из которой изготавливают штампы, обычно должна обладать высокой твердостью, обеспечивающей устойчивость стали против истирания, хотя и вязкость, особенно для пуансонов, имеет также первостепенное значение. Сталь для "горячих штампов" должна иметь как можно меньшую чувствительность к местным нагревам. В недостаточно вязкой (пластичной) стали, например в плохо отпущенной, местный нагрев может привести к образованию трещин.

Из углеродистой стали марок У10, У11, У12 изготавливают штампы небольших размеров и простой конфигурации; ввиду неглубокой прокаливаемости их следует применять для относительно легких условий работы (малая степень деформации, невысокая твердость штампуемого материала).

Для более сложных конфигураций штампов и более тяжелых условий работы применяют легированные закаливаемые в масле (глубоко прокаливающиеся) стали- чаще всего сталь Х (ШХ15).

При относительно легких условиях работы (легкие удары, малая деформация металла, например ручные клейма, ручные зубила) применяют углеродистую сталь У7, У8. У9. Необходимая твердость (HRC 58) получается путем закалки и отпуска при 250-350°С. Необходимую высокую твердость стали типа XI2 можно получить, закаливая ее от высоких температур (1150°С) в масле и получая, следовательно, большое количество остаточного аустенита, а затем путем обработки холодом и отпуска добиваться разложения остаточного аустенита и получать высокую твердость HRC 60). Переходим теперь к рассмотрению сталей, применяемых для изготовления горячих штампов, деформирующих металл в горячем состоянии. Металл, применяемый для горячих штампов, должен иметь определенный комплекс свойств:

ЖАРОПРОЧНОСТЬ. Металл горячих штампов должен обладать высоким пределом текучести и высоким сопротивлением износу при высоких температурах, чтобы замедлить процессы истирания и деформирования элементов фигуры штампа, разогревающихся от соприкосновения с горячим металлом.

КРАСНОСТОЙКОСТЬ. Высокие жаропрочные свойства не должны снижаться под длительным воздействием температуры, металл горячих штампов должен устойчиво сопротивляться отпуску.

ТЕРМОСТОЙКОСТЬ. Циклический нагрев и охлаждение поверхности штампа во время работы и, следовательно, чередующееся расширение и сжатие поверхностных слоев приводят к появлению так называемых разгарных трещин. Материал штампа должен обладать высокой разгаростойкостью или, как чаще называют, термостойкостью или высоким сопротивлением термической усталости.

ВЯЗКОСТЬ. Деформирование металла при штамповке сопровождается ударными воздействиями этого металла на штампы, поэтому металл штампов должен обладать известной вязкостью- особенно при штамповке на молотах, когда приходится достигать нужного повышения вязкости даже за счет некоторого снижения жаропрочности.

ПРОКАЛИВАЕМОСТЬ. Многие штампы имеют весьма большие размеры (например, кубики ковочных штампов имеют размеры 500х500х1000 мм и т. п.). Для получения хороших свойств по всему сечению, в частности достаточной вязкости, сталь штампов должна глубоко прокаливаться.

ОТПУСКНАЯ ХРУПКОСТЬ. Сталь должна быть минимальна чувствительной к этому пороку.

СЛИПАЕМОСТЬ. При значительном давлении горячий металл может как бы прилипать к металлу штампа (явление адгезии), и когда штампуемое изделие отдирается от штампа, то оно всякий раз частично разрушает его поверхность. Это явление разрушения будет тем сильнее выражено, чем сильнее адгезионное взаимодействие штампуемого металла и металла штампа. Поэтому подобное взаимодействие штамповой стали с металлом изделия должно быть минимальным.

Для штампов, работающих в легких условиях, применяют углеродистые стали с содержанием углерода от 0, 6 до 1, 0%, т.е. стали марок У7, У8, У9. Наибольшее применение при изготовлении штампов имеет сталь У7.

В современных условиях углеродистая сталь мало применима для штампов, так как штамповку проводят с большой интенсивностью, и штампы из углеродистой стали не будут обладать достаточной стойкостью в работе.

Для более тяжелых условий работы применяют легированные стали. Типичной наиболее распространенной и, пожалуй, наилучшей из указанных является сталь 5ХНМ. Остальные представляют собой стализаменители, в которых никель (или молибден) заменен другими элементами, что несколько ухудшает качество.
ЖАРОСТОЙКИЕ И ЖАРОПРОЧНВЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ

Ниже 300°С наибольшую прочность имеют простые конструкционные стали, обработанные на высокую прочность. Явления ползучести при температурах ниже 350-300⁰С не наблюдается, так что при рабочих температурах ниже 300° С нет необходимости в применении каких-либо специальных жаропрочных сталей и сплавов.

Для работ в интервале 350-500°С оптимальными по свойствам являются сравнительно слаболегированные стали перлитного и ферритного классов.

С повышением температуры до 500-650°С прочность сталей этого типа резко падает, уступая сталям аустенитного класса, а при 650-900°С стали аустенитного класса уступают первое место высоколегированным кобальтовым и никелевым сплавам.

При температурах выше 900°С на первом месте сплавы тугоплавких металлов (молибдена, хрома и т. д. ). Перлитные и мартенситные жаропрочные стали

Стали, применяемые главным образом в котлостроении для изготовления паропроводов, пароперегревателей, крепежных и других деталей, подвергаемых длительным механическим воздействиям при умеренно высоких температурах не выше 500-600°С. Это стали перлитного, а также мартенситного (бейнитного) и ферритного классов. Общим для всех сталей является, то что их основой является твердый раствор, а избыточной фазой - карбиды разной структуры и происхождения.

Аустенитные жаропрочные стали применяют для изготовления клапанов двигателей, лопаток газовых турбин, и других "горячих" деталей реактивных двигателей- в основном для работы при 600-700⁰С.

Все аустенитные жаропрочные стали содержат большое количество хрома и никеля, а также добавки других элементов.

Аустенитные жаропрочные стали обладают рядом общих свойств высокой жаропрочностью и окалиностойкостью, большой пластичностью, хорошей свариваемостью, большим коэффициентом линейного расширения. Тем не менее по сравнению с перлитными и мартенситными сталями они не менее технологичны: обработка давлением и резанием этих сплавов затруднена; сварной шов обладает повышенной хрупкостью; полученное вследствие перегрева крупнозернистое строение не может быть исправлено термической обработкой, так как в этих сталях отсутствует фазовая перекристаллизация. В интервале 550-600°С эти стали часто охрупчиваются из-за выделения по границам зерна различных фаз.
Тема № 13

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ
К группе широко применяемых цветных металлов относятся алюминий, титан, магний, медь, свинец, олово, цветные металлы обладают целым рядом весьма ценных свойств, например, высокой теплопроводностью (алюминий и медь), очень малой плотностью (алюминий и магний) , очень низкой температурой плавления (свинец и олово), высокой коррозионной стойкостью (титан и алюминий.), Основные физические свойства некоторых цветных металлов приведены ниже:

                                               Mg       Al      Ti         Cu

Атомный номер ...........          12       13       22       29

Атомная масса.............          24,3     27,0    47,0     63,5

Плотность при 20⁰ С,г/см ³ 1,74      2,7     4,5      8,9

Температура, плавления, ⁰С  651    660    1668     1083

Атомный диаметр, Нм ......   0,32     0,28   0,289   0,256

Удельная теплопроводность

при 20°С Вт/(мК)...                1391    225     18,85    387
АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ
Алюминий - металл серебристо-белого цвета; находится в III группе Периодической системы Д.И.Менделеева.

Алюминий легкий (плотность 2,7 г/см ³) и легкоплавкий (температура плавления 660⁰ С) металл, он не имеет полиморфных превращений, кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке с параметром а=0,404 нм и поэтому обладает высокой пластичностью.

Алюминий имеет высокую теплопроводность, а электропроводность его составляет 65% от электропроводности меди.

Алюминий - коррозионно-стойкий металл. Образующаяся на его поверхности плотная пленка оксида Al металлом, малопроницаема для всех газов и предохраняет алюминий от дальнейшего окисления и коррозии в атмосферных условиях, воде и других средах.

Алюминий стоек к концентрированной азотной кислоте и некоторых органических кислотах (лимонной, уксусной и др.). Минеральные кислоты (соляная, плавиковая) и щелочи разрушают оксидную пленку.

Постоянные примеси (Fe, Si, Ti, Мn, Сu, Zn, ) понижают физико- химические характеристики и пластичность алюминия.

В зависимости от содержания примесей различают марки первичного алюминия Д999, А995, А99, А97, А95 .

Железо и кремний являются основными неизбежными примесями, попадающими в алюминий при его производстве. Их присутствие отрицательно сказывается на свойствах алюминия.

Чистейший алюминий имеет крупнозернистую структуру с тонкими прямолинейными границами.

Железо практически не растворимо в алюминии, поэтому даже при самом малом его содержании образуется хрупкое химическое соединении FeAl₃ . Кристаллизуясь в виде игл , служащих надрезами и металле, оно снижает пластические свойства алюминия. Железо уменьшает коррозионную стойкость алюминия вследствие большой разницы электpoхимических потенциалов фаз А1 и FeAl₃ этих фаз и развития межкpисталлитной коррозии.

Кремний не образует с алюминием химических соединений и присутствует в сплавах алюминия в элементарном виде.

Кремний ухудшает литейных свойств технического алюминия. Кремний резко снижает температуру солидуса, увеличивает интервал кристаллизации.

Из-за низкой прочности технический алюминий применять как конструкционный материал нецелесообразно. Его широко используют для изготовления ненагруженных деталей и элементов конструкций, когда основную роль играют его малая плотность, высокая пластичностью, коррозионная стойкость, хорошая свариваемость. Высокая электропроводность алюминия, сочетающаяся с малой плотностью, позволили широко использовать его в электротехнике в качестве проводникового материала.
Классификация алюминиевых сплавов
По технологии изготовления полуфабрикатов и изделий все применяемые в промышленности алюминиевые сплавы делят на три группы: деформируемые, литейные и спеченные.

Деформируемые сплавы должны иметь высокую технологическую пластичность, так как используются для изготовления деталей различными способами пластической деформации (прокаткой, ковкой, прессованием и т, д.). Поэтому деформируемые сплавы должны иметь однородную структуру твердого раствора на основе алюминия. Для повышения прочности при условии сохранения технологической пластичности в деформируемых сплавах допускается небольшое количество кристаллов эвтектики. Литейные сплавы, предназначенные для изготовления деталей методами фасонного литья (в земляные или металлические формы, под давлением и пр.) должны иметь хорошие литейные свойства - высокую жидкотекучесть, малую склонность к образованию горячих трещин, которые зависят от интервала кристаллизации.

Деформируемые алюминиевые сплавы можно разделить на две подгруппы: деформируемые, неупрочняемые термической обработкой, деформируемые, упрочняемые термической обработкой. Получить требуемый комплекс механических, и технологических свойств алюминиевых сплавов можно путем термической обработки: отжига, закалки, старения.
МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ
Медь - тяжелый металл (плотность 8,94 г/см )красно-розового цвета: находится в 1 группе Периодической системы, полиморфных превращений не имеет: кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке с параметром а=0,36094 нм. Физические свойства меди приведены выше.

На поверхности меди образуется плотная оксидная пленка, поэтому медь имеет высокую коррозионную стойкость в пресной и морской воде, в атмосферных условиях и различных химических средах: органических кислотах, едких щелочах, сухих газах. Однако медь не противостоит действию азотной и соляной кислот, горячей концентрированной серной кислоты, аммиака.

Механические свойства меди существенно зависят от присутствующих в ней примесей.

Марка меди МОО   МО        Ml    M2    M3      M4

Сu%              99,99    99,95   99,9   99,7   99,5   99,0

Примеси, %. 0,01     0,05    0,1     0,3     0,5    1,0

В технически чистой меди примесями являются Bi, Sb, As, Fe, Ni, РЬ, Sn, S, 0. Эти примеси попадают в медь при производстве ее из медных руд и резко снижают тепло и электропроводность.

Наиболее чистую медь, марок МОО, МО, Ml, содержащую не более 0,1% примесей, применяют для проводников тока.

Медь остальных марок, более загрязненная примесями, пригодна только для производства сплавов различного состава и качества (MS, M4).

Висмут и свинец даже в тысячных долях процента, резко ухудшают способность меди обрабатываться путем прокатки или волочения. С этими элементами медь образует легкоплавкие эвтектики, которые, располагаясь по границам зерен, при нагреве расплавляются и вызывают горячеломкость меди, т.е. приводят к разрушению металла при горячей деформации.
Классификация медных сплавов
Для повышения прочностных свойств медь легируют цинком, оловом, алюминием, марганцем, железом, кремнием, никелем.

Наиболее распространена классификация медных сплавов по химическому составу.

Латунями называют сплавы меди с цинком, а иногда с добавками небольшого количества, некоторых других элементов. Из цветных сплавов латуни являются самыми распространенными.

Латуни обозначают буквой Л, справа от которой пишут буквенные обозначения специально вводимых (кроме Zn) элементов, цифру, указывающую процент меди, и затем проценты специальных элементов в той же последовательности, в какой записаны сами элементы. Элементы обозначают русскими буквами: 0 - олово; Ц - цинк; С - свинец; Ж -железо; М - марганец; Н -никель; К - кремний; А - алюминий т.д..

Например, Л90 означает, что латунь содержит 90% Сu, остальное (10%) Zn, ЛАЖМц 66-6-З-2 означает латунь, содержащую 66% Сu, 6% А1, 3% Fe, 2% Мц, остальное (23 %)Zn.

Бронзами называют сплавы меди с оловом (бронзы оловянные) алюминием, кремнием, бериллием, свинцом (бронзы безоловянные).Кроме основных указанных элементов бронзы дополнительно легируют(фосфором. цинком, марганцем, железом, никелем, титаном).

Бронзы маркируют буквами Бр, справа пишут элементы, входящие в бронзу: 0 - олово; Ц -цинк; С - свинец: Ф - фосфор; Н - никель;

К - кремний и т.д., в том же порядке пишут содержание элементов в процентах,.

Например, БрОЦ4-3 означает, что в бронзе в среднем 4% Sn, 3% цинка,остальное медь; бронза БрАЖМц 10-3-1,5 содержит в среднем 10% А1, 3% Fe, 1,5% марганца, а остальное медь.

По способу производства полуфабрикатов и изделий медные сплавы (латуни и бронзы) подразделяют на деформируемые и литейные, а по способности к термическому упрочнению - на термически упрочняемые и термически не упрочняемые.
Антифрикционные сплавы
Применяют для изготовления деталей трущихся поверхностей механизмов и машин. Подшипниковый материал должен представлять собой сочетание достаточно прочной, относительно пластичной и вязкой основы, в которой должны быть твердые опорные включения. При этих условиях изнашивается пластичная основа, вал в основном лежит на твердых опорных включениях и, следователь но, трение будет идти не по всей поверхности подшипника, смазка будет удерживаться в изнашивающихся местах пластичной основы.

Основа сплава не должна быть слишком мягкой, иначе из-за, давления на подшипник, материал вкладыша будет просто выдавливаться, наволакиваться на вал и т. д., твердые включения не будут удерживаться основной массой, и такой материал не будет пригоден для работы. Количество твердых включений также не должно быть слишком велико, иначе подшипник, будет плохо прирабатываться.

Для подшипников применимы не однофазные, а многофазные сплавы. Такими сплавами являются сплавы на основе олова и свинца, (так называемые баббиты), меди, алюминия, цинка, а также антифрикционные чугуны и металлокерамические подшипниковые материалы.

Баббиты
Баббиты обозначают буквой Б, справа от которой ставится цифра показывающая процент олова, или буква, характеризующая специальный элемент, входящий в сплав. Например, Б83, Б 16, Б6 означает, что в эти баббиты входят соответственно 83, 16 и 6% олова. БН означает, что в сплав вводится никель, ВТ - теллур, т. е. обозначение носит условный характер, не показывая полностью состав сплава.
Подшипниковые сплавы на медной основе
Для изготовления вкладышей подшипников, работающих при повышенном удельном давлении и больших скоростях, применяют свинцовую бронзу БрСЗО с содержанием 27-33% РЬ, остальное медь.

Свинец практически не растворяется в меди в жидком состоянии, поэтому при затвердевании такой механической смеси жидких фаз получается также механическая смесь твердых фаз свинца и меди.
Подшипниковые сплавы на основе алюминия
Антифрикционными сплавами на основе алюминия являются сплавы, такие как алькусин (7,5- 9,6 медь, 1,5-2,5% кремний).

В этих сплавах мягкая основа - твердые растворы алюминия с элементами, входящими в данный сплав, а твердые включения - химические соединения, находящиеся в эвтектике с твердым раствором. Микроструктура сплава АН2.5 состоят из:

Al(Ni)+эвт.(Al(Ni)+NiAlAl(Cu,Si)+Эвт.(Al(Cu,Si)+CuAl)

Aнтифрикционные алюминиевые сплавы имеют высокую теплопроводность, что ценно для подшипников. Твердость алюминиевых сплавов выше, чем баббитов, поэтому их можно применять только в паре с твердыми валами(азотированные шейки валов, поверхностно закаленные шейки валов и т.д.).
Подшипниковые сплавы на основе цинка
Цинковые подшипниковые сплавы содержат 8-12% А1, 1-5,5% Сu, 0,03-0,06% Mg, остальное цинк (ЦАМ 10-5, ЦАМ 9-1,5). По свойствам -эти сплавы равноценны свинцовым баббитам, и их применяют в подшипниках металлорежущих станков, прессов и т.д.